天鋼N80石油套管用鋼的生產(chǎn)實(shí)踐

趙 聰，張 恭

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，天津 300301）

1 引言

隨著鉆井深度越來越深，鉆井工況日趨復(fù)雜，對(duì)油井管的質(zhì)量要求越來越高。原J55 鋼級(jí)套管已不能滿足深井、超深井和特殊情況采集的要求，其用量在不斷減少，而以N80 為代表的更高鋼級(jí)的油井管數(shù)量在不斷增加[1]。因此，天津鋼鐵集團(tuán)有限公司在轉(zhuǎn)爐冶煉J55 石油套管用鋼的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)了N80 石油套管用鋼38Mn2V，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模生產(chǎn)，滿足了市場(chǎng)需求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 石油套管鋼技術(shù)要求

2.1 化學(xué)成分要求

N80 鋼（38Mn2V）的化學(xué)成分要求見表1。

表1 N80鋼（38Mn2V）化學(xué)成分 /%

2.2 鑄坯低倍組織

低倍組織要求：心部裂紋≤0.5 級(jí)，其他裂紋≤1.0 級(jí)，縮孔≤1.5 級(jí)，疏松、偏析和夾雜物分別≤2.0 級(jí)。不允許有其它影響使用的缺陷。

3 生產(chǎn)工藝實(shí)踐

考慮該鋼種的術(shù)要求和現(xiàn)場(chǎng)冶煉條件，制定N80 石油套管鋼38Mn2V 的生產(chǎn)工藝流程為：100 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐（鐵水+廢鋼）—LF—VD—圓坯弧形連鑄機(jī)。

3.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

由于鐵水中的[P]較高、石灰有效CaO 含量和活性度偏低等條件影響，轉(zhuǎn)爐冶煉的難點(diǎn)和重點(diǎn)是終點(diǎn)磷的控制。在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，應(yīng)使渣保持高堿度、高FeO、良好的流動(dòng)性，使轉(zhuǎn)爐鋼水中[P]與渣中的CaO、FeO 反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鈣。根據(jù)鐵水條件，選擇合適的鐵水與廢鋼配比，以保證吹煉過程能加入適量的鐵礦石，平衡溫度和改善化渣，提高轉(zhuǎn)爐前期脫磷效率；通過加強(qiáng)對(duì)槍位的控制和優(yōu)化轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)，提高轉(zhuǎn)爐脫磷的動(dòng)力學(xué)條件，優(yōu)化終點(diǎn)吹煉控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量≤0.015%的控制目標(biāo)。

在工藝流程中鐵水不進(jìn)行預(yù)處理，在轉(zhuǎn)爐只完成脫磷、溫度的控制和爐后鋼包合金化的任務(wù)。由于LF 鋼包精煉爐具有保持爐內(nèi)還原氣氛、氬氣攪拌和合成渣精煉等獨(dú)特的精煉功能，可以更好地完成脫硫的任務(wù)，因此轉(zhuǎn)爐對(duì)脫硫不作過多的要求。這就意味著脫硫的任務(wù)幾乎全部轉(zhuǎn)嫁于LF 精煉爐，因此必須重視和加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)控制，為L(zhǎng)F 精煉操作創(chuàng)造良好的工藝條件。生產(chǎn)中嚴(yán)格執(zhí)行轉(zhuǎn)爐出鋼條件：終點(diǎn)C≥0.10%，杜絕后吹；終點(diǎn)溫度在1 640～1 680℃；渣中（FeO+MnO）控制在14%～18%。

3.2 LF 及VD 精煉工藝

LF 爐精煉工藝的控制重點(diǎn)在降低鋼液中的自由氧，進(jìn)一步脫除鋼水的硫，并使脫氧產(chǎn)物上浮并去除。轉(zhuǎn)爐爐后鋼液經(jīng)過鋼芯鋁脫氧后，夾雜物的上浮和頂渣的吸附成為夾雜物去除的瓶頸問題。因此，LF 精煉過程中要控制氬氣攪拌功率，為鋼液中夾雜物與渣接觸創(chuàng)造良好條件，促使夾雜物上浮。此外LF 精煉渣采用CaO-A12O3型渣系，具有很強(qiáng)的脫硫、脫氧能力。研究表明，鈣鋁酸鹽與鈣硅酸鹽相比，對(duì)硫的吸收速度和硫化物的允許容量更大，具有很強(qiáng)的脫硫、脫氧能力，也有利于吸附鋼液的夾雜[2]。鋁脫氧后的鋼水需進(jìn)行鈣處理，對(duì)鋼中A12O3夾雜物進(jìn)行改性，防止水口堵塞，達(dá)到提高鋼種質(zhì)量的目的。

LF 進(jìn)站后早化渣并盡快形成白渣，控制精煉終渣中（FeO+MnO）≤1.0%，爐渣堿度≥3.5。強(qiáng)化脫硫操作,白渣精煉時(shí)間大于20 min,要求精煉出站鋼水[S]≤0.010%。鋼水VD 處理要求真空度小于67 Pa 時(shí)保持時(shí)間大于等于10 min，同時(shí)采用弱吹氬攪拌。鋼水出站后要求軟吹氬8 min 以上，保證鋼水化學(xué)成分均勻，并且使夾雜物有充足的上浮時(shí)間。

3.3 連鑄工藝

在連鑄過程中，只有防止鋼水再污染，在鋼水流動(dòng)過程中要?jiǎng)?chuàng)造條件去除夾雜物，提高非穩(wěn)態(tài)澆注操作水平，才能保證最終產(chǎn)品的潔凈度[3]。

生產(chǎn)中防止鋼水再污染的有效措施是防止?jié)沧⑦^程的二次氧化和下渣、卷渣。因此生產(chǎn)中使用如下措施：采用全程鋼包保護(hù)套管，采取開澆前中間包氬氣置換；中間包恒重操作，防止?jié)沧⑦^程下渣；采用恒拉速澆鋼技術(shù)，避免鋼水液面的頻繁波動(dòng)而導(dǎo)致卷渣。澆注過程中采取中間包擋墻加壩來改變中間包內(nèi)鋼水流動(dòng)軌跡、使用結(jié)晶器的電磁攪拌（EMS）等措施促進(jìn)夾雜物在鋼水流動(dòng)過程中進(jìn)一步排除。此外生產(chǎn)實(shí)踐表明非穩(wěn)態(tài)澆注會(huì)使鑄坯潔凈度明顯惡化，因此生產(chǎn)中強(qiáng)調(diào)開澆、換鋼包過程的精細(xì)化操作，盡量減少拉速突然變化的情況，澆鑄結(jié)束時(shí)中包液面降到臨界高度800 mm 時(shí)就關(guān)閉水口，從而提高鑄坯潔凈度。

4 試制結(jié)果

2013年1月生產(chǎn)N80 石油套管鋼38Mn2V 圓坯32 爐，具體產(chǎn)品質(zhì)量情況如下。

4.1 成分控制（見表2）

表2 38Mn2V原坯主要成分 /%

從成分控制看，成分比較穩(wěn)定。另外根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均相鄰連澆爐間C 偏差為0.010 3%，Mn 偏差為0.024%，成分波動(dòng)較小。

在該批次38Mn2V 圓坯成品中Pb、Sn、As、Sb、Bi 五害元素之和小于70×10-6，單一元素含量小于30×10-6，如表3 所示。轉(zhuǎn)爐流程冶煉原料主要是鐵水，廢鋼比平均為7.02%，加入廢鋼較少，因此帶入的雜質(zhì)元素較少，在控制五害元素含量具有明顯的優(yōu)勢(shì)，完全可以滿足石油套管鋼的嚴(yán)格要求。

表3 38Mn2V五害元素含量 /%

4.2 鑄坯低倍組織情況

鑄坯生產(chǎn)規(guī)格為Ф200 mm。圓坯表面質(zhì)量良好，無表面夾渣、裂紋等缺陷。圓坯低倍檢驗(yàn)情況較好，各種缺陷級(jí)別最高不超過0.5 級(jí)，出現(xiàn)頻次低，并且沒有出現(xiàn)其它影響使用的缺陷。

4.3 軋制情況

產(chǎn)品經(jīng)下游客戶進(jìn)行軋制，未出現(xiàn)因鑄坯質(zhì)量造成的成品管缺陷及性能不合格等問題，說明產(chǎn)品質(zhì)量能夠滿足用戶需要。

5 生產(chǎn)工藝分析與優(yōu)化

5.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)P 值的控制

該批次38Mn2V 圓坯生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)P 平均為0.013%，較好地實(shí)現(xiàn)了終點(diǎn)磷含量的控制目標(biāo)。LF 進(jìn)站P 平均為0.017%，出鋼回P 平均為0.004%，回P 最高為0.009%，回P 超過0.005%的比例占40.6%，出鋼過程回P 控制較好。

下一步工作要降低回P 超過0.005%的比例，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐出鋼過程回P 的穩(wěn)定控制：首先要擋好渣，減少出鋼過程的下渣量最為關(guān)鍵；其次是嚴(yán)格出鋼合金化操作的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，杜絕出鋼后期補(bǔ)加合金（如硅鐵、碳粉等）；最后是當(dāng)爐渣過稀，應(yīng)出鋼前向轉(zhuǎn)爐內(nèi)加石灰稠化爐渣，減少出鋼過程的下渣量。

5.2 生產(chǎn)節(jié)奏的控制

在轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)石油套管中，能否解決快速精煉問題是生產(chǎn)節(jié)奏是否匹配的關(guān)鍵所在。生產(chǎn)N80石油套管鋼各個(gè)環(huán)節(jié)平均生產(chǎn)時(shí)間如下：轉(zhuǎn)爐冶煉周期平均為34.5 min，LF 精煉周期平均為63.3 min，VD 處理周期平均為35.2 min，連鑄周期平均為42 min。LF 精煉周期比較長(zhǎng)，跟轉(zhuǎn)爐冶煉、VD 處理和連鑄節(jié)奏不匹配，并且增加了LF 電耗和電極消耗。

因此下一步工作要縮短LF 精練時(shí)間：首先應(yīng)做好轉(zhuǎn)爐下渣控制及爐渣改質(zhì)，降低鋼包進(jìn)站初始氧含量，減輕精煉脫氧負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步優(yōu)化精煉渣系，縮短成渣時(shí)間：其次要LF 進(jìn)行泡沫渣埋弧操作，優(yōu)化LF 電壓電流，積極推進(jìn)回收連鑄熱態(tài)鋼渣，實(shí)現(xiàn)快速升溫，減少LF 升溫時(shí)間；最后要做好生產(chǎn)調(diào)度，控制好上下工序節(jié)奏，縮短鋼水在該工位的非作業(yè)時(shí)間。

5.3 [Al]s 的穩(wěn)定控制

在生產(chǎn)實(shí)踐中，鋼液中[Al]s 的穩(wěn)定控制是提高產(chǎn)品質(zhì)量、保證生產(chǎn)順行的關(guān)鍵。在該批次38Mn2V 圓坯生產(chǎn)中，為達(dá)到鋼液中[Al]s 的穩(wěn)定控制，將原來的精煉出站喂鋁改為進(jìn)出站兩步喂鋁法，并在生產(chǎn)中采取如下措施來穩(wěn)定控制鋼中[Al]s，保證生產(chǎn)順行和提高產(chǎn)品純凈度：（1）必須保證充足的精煉處理時(shí)間，LF 爐造好白渣后再進(jìn)行喂Al 絲操作；（2）在軟吹過程中，注意調(diào)整氬氣量，保證渣面涌動(dòng)而不裸露鋼水，防止二次氧化；（3）在澆鑄過程中做好全程保護(hù)澆鑄，防止二次氧化。

6 結(jié)論

采用100 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—LF—VD—圓坯弧形連鑄工藝生產(chǎn)的N80 石油套管用鋼具有較高的清潔度，五害元素含量很低，可滿足石油套管用鋼對(duì)成分的嚴(yán)格要求。

轉(zhuǎn)爐冶煉N80 石油套管用鋼工藝操作和控制還有待進(jìn)一步優(yōu)化，以保證成品性能的穩(wěn)定和提高產(chǎn)品純凈度。

[1]張勇，康建光，任煥，等.80t轉(zhuǎn)爐—LF—VD—CC流程冶煉N80-1石油套管鋼的工藝實(shí)踐[J].特殊鋼，2010，31（5）：33-35.

[2]李正嵩，魏福龍，伍從應(yīng)，等.水鋼LF精煉渣及造渣制度規(guī)劃[J].冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2011，49（5）：52-55.

[3]蔡開科.轉(zhuǎn)爐—精煉—連鑄過程鋼中氧的控制[J].鋼鐵，2004，39（8）：49-57.

[4]黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008：270-280.

[5]李晶.LF精煉技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2009：8-35.